純銅包覆鋁合金復(fù)合材料界面組織與性能研究

前言

銅包鋁雙層金屬復(fù)合導(dǎo)體材料因其優(yōu)異的電導(dǎo)率、耐蝕性、低密度和高性價(jià)比等特點(diǎn)，在信號(hào)傳輸和電力輸送等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而，純銅包覆純鋁的復(fù)合導(dǎo)體材料在強(qiáng)度、硬度和高溫力學(xué)性能上存在不足，難以滿足某些高新技術(shù)領(lǐng)域?qū)Ω邚?qiáng)高導(dǎo)、較高使用溫度等特殊要求。因此，研制具有高強(qiáng)高導(dǎo)性能的銅包覆鋁合金材料顯得尤為重要。

本研究采用立式連鑄直接復(fù)合技術(shù)，成功制備了直徑為20 mm、銅包覆層厚度為2 mm的純銅包覆鋁合金（銅包鋁合金）復(fù)合棒材。通過(guò)先進(jìn)的材料表征技術(shù)，如掃描電子顯微鏡（SEM）、電子探針（EPMA）、能譜儀（EDS）和透射電子顯微鏡（TEM），詳細(xì)研究了Cu/Al界面的結(jié)構(gòu)與相組成，并提出了相應(yīng)的界面形成模型。

實(shí)驗(yàn)方法

本研究采用立式連鑄直接復(fù)合法制備純銅包覆鋁合金復(fù)合棒材。制備過(guò)程中，首先在外層金屬管殼中填充芯部鋁合金液體，然后通過(guò)連鑄工藝使其凝固，實(shí)現(xiàn)兩種金屬的復(fù)合。隨后，采用SEM、EPMA、EDS和TEM等表征技術(shù)對(duì)Cu/Al界面進(jìn)行詳細(xì)的觀察和分析。

結(jié)果與討論

界面結(jié)構(gòu)與相組成

研究結(jié)果表明，銅包鋁合金復(fù)合材料界面層從銅包覆一側(cè)到鋁芯一側(cè)主要由三個(gè)亞層構(gòu)成。亞層I靠近銅側(cè)，為厚度均勻的Cu9Al4層，約3 μm；亞層II為中間層，呈胞狀的CuAl2層，厚度不均勻，范圍在10~40 μm之間；亞層III靠近鋁芯一側(cè)，為α-Al+CuAl2偽共晶組織，呈片層狀分布，厚度較大，約為200 μm。此外，在亞層III中觀察到鋁合金中合金元素形成的復(fù)雜析出相和殘存未轉(zhuǎn)變的高溫Cu3Al2+x相。

顯微硬度與界面結(jié)合強(qiáng)度

納米壓痕實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，亞層I的顯微硬度最高，平均值為7.26 GPa；亞層II的硬度次之，平均值為5.77 GPa；亞層III的硬度最低，平均值為2.39 GPa。界面結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試的結(jié)果顯示，鋁合金中的合金元素在界面處偏聚形成的析出相略微降低了界面結(jié)合強(qiáng)度。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于優(yōu)化制備工藝、提高界面性能具有重要意義。

界面形成模型

基于實(shí)驗(yàn)觀察和分析，本研究提出了連鑄復(fù)合銅包鋁合金的界面形成模型。在連鑄過(guò)程中，銅和鋁在高溫下發(fā)生反應(yīng)，形成固溶體和多種金屬間化合物。由于鋁合金中合金元素的存在，界面反應(yīng)更加復(fù)雜。通過(guò)控制連鑄工藝參數(shù)，如澆注溫度、冷卻速率等，可以調(diào)控界面反應(yīng)程度和相組成，進(jìn)而優(yōu)化界面性能和結(jié)合強(qiáng)度。

結(jié)論

本研究采用立式連鑄直接復(fù)合法制備了純銅包覆鋁合金復(fù)合棒材，并深入研究了其界面結(jié)構(gòu)與相組成規(guī)律。結(jié)果表明，該復(fù)合材料界面層由三個(gè)亞層構(gòu)成，顯示出不同的顯微硬度和界面結(jié)合強(qiáng)度。本研究為制備高性能銅包鋁合金復(fù)合材料提供了重要的理論依據(jù)和工藝指導(dǎo)。

銅包鋁合金復(fù)合材料以其優(yōu)異的電導(dǎo)性、耐蝕性和高強(qiáng)度，在電力和信號(hào)傳輸領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大潛力。同樣作為包覆工藝，納米蒸氣粉體包覆技術(shù)則通過(guò)絲材電爆制粉工藝，為微米粉末賦予了納米級(jí)的獨(dú)特性質(zhì)，為銅包鋁合金復(fù)合材料也提供了表面改性的新思路。

納米蒸氣粉體包覆工藝

納米蒸氣粉體包覆指的是利用絲材電爆制粉工藝，在微米金屬/非金屬粉末表面包覆納米金屬粉末層，兩者間形成熔融焊接結(jié)合，從而使初始粉末獲得更加活躍的理化性能。

其原理是利用絲材電爆制備金屬納米粉的原理，同時(shí)在與金屬絲同軸且呈圓柱形的空間內(nèi)分布基體微米粉末（金屬或非金屬），使之形成含微米粉體的“氣柱”。金屬絲電爆氣化后產(chǎn)生的納米蒸氣和基體粉末碰撞，使納米金屬蒸汽在基體粉末表面冷凝，形成被納米金屬層包覆的復(fù)合微米粉。通過(guò)控制基體粉末的循環(huán)時(shí)間、金屬絲的直徑、單次電爆炸的金屬絲長(zhǎng)度、電爆頻率，實(shí)現(xiàn)基體粉末表面金屬包覆量的控制。